共轨压力传感器的试验研究范文

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《车辆与动力技术杂志》2014年第二期

1干扰机理分析

在ECU的系统中，大量的传感器都属于敏感易受干扰的设备，分析其敏感现象与ECU系统组成可知，造成发动机熄火及转速大幅下降的原因，可能是由于表1中列出的信号在处理的过程或路径上受到了外界电磁干扰，从而导致ECU控制发动机出现非正常的响应．由柴油高压共轨电控发动机的喷油控制原理可知，ECU根据各传感器反馈的数据，计算出目标喷油压力，同时根据共轨压力传感器反馈的压力值，定出实际喷油压力;而共轨压力传感器输出信号电平在1～4V范围内是随共轨燃油压力值增大而增大的．在车辆怠速运转的正常状态下，当压力信号电平增大时，ECU将控制转速降低以减小喷油压力，喷油压力反馈给ECU的信号电平应在1～1.7V范围内．如果在共轨内的实际压力没有发生变化，只是传感器在受干扰的情况下输出了一个错误的信号电平，那么ECU将控制发动机降低转速，最终导致共轨内燃油压力不足以维持怠速运转条件，从而表现出转速下降并熄火的现象．

2电磁干扰分析

下面将从电磁干扰构成的三要素(干扰源、耦合途径以及敏感设备)来对干扰现象进行进一步的分析．

2.1电磁干扰源该测试车辆由于其高机动的特性，可能会处于各种天线发射产生的辐射电磁场内，这些辐射电磁场在线缆上的耦合效应将产生共模干扰．比如，该车安装的超短波通讯电台，在其大功率发射时，在天线基座附近产生的场强可以达到70～80V/m．因此，即使从系统内兼容的角度考虑，这种干扰源也是必然存在的而且无法改变;同时，由于车辆车体设计的需求，不可能采取完整的车体屏蔽，所以，为了解决共轨压力传感器的敏感问题，只能从另外两个要素上寻找解决方案．

2.2干扰耦合途径

2.2.1地回路耦合途径由图2可以看到，共轨压力传感器为金属封装，与发动机主体的连接方式为金属螺纹连接．发动机主体没有设置专门的搭接线接地，仅起动机有一根50mm宽度的接地线连接至电瓶负极．从车辆检查情况看，车架表面涂有防锈漆，发动机与车架间有减震垫连接，仅靠固定螺栓很难保证足够小的接地电阻．因此整个车体地上存在着较大的交流阻抗，面对外部电磁辐射场，电磁场在车体表面容易形成涡流，通过地回路串扰进传感器电路中．

2.2.2传输线缆耦合途径ECU连接传感器的线缆，采用了普通电缆连接，没有采取绞合或屏蔽的措施，特性阻抗很不稳定，线缆间距很小，容易引起高频干扰信号的串扰．如果线缆两端的连接设备没有同时做好滤波，则干扰信号将直接或间接地进入电路中，引起敏感现象．

2.3敏感设备(电路)共轨压力传感器，是将共轨内传递的燃油压力，通过压敏电阻的阻值变化以改变电桥的平衡状态，并将压力值转换为电压信号(Vh和Vl)，通过放大器将该电压信号放大，然后输出到ECU进行解算控制发动机的喷油压力．电桥输出的电压非常微弱，放大器的放大倍数接近400倍，输出给ECU的共轨燃油压力信号也是一个在1～4V范围内变化的电压信号．在施加干扰的情况下，干扰能够通过线缆的耦合、地回路的耦合进入到传感器电路中，导致敏感现象的出现［2］．

2.3.1传感器前部———压力采集转换部分如图3所示，电桥输出的电压(Vh和Vl)是十分微弱的信号，PCB上的线间耦合以及地回路的串扰，很容易影响其信号品质．如果在电桥输出信号与放大器之间不设计滤波电路滤除高频干扰信号，当干扰达到一定的强度后，干扰信号也会由放大器输出到后级，并影响ECU的解算．共轨压力传感器为金属封装，与发动机主体的连接方式为金属螺纹固定，相当于与车体共地．如果PCB内部的参考地与车体地隔离不好，外部辐射干扰在车体金属外壳上形成表面电流，这种地电流就有可能由地回路进入PCB内部并干扰电桥输出的微弱电压信号，而且电桥输出与放大器之间没有设置滤波电容，干扰信号经放大器放大后必然会影响共轨燃油压力信号的输出电平:这就印证了在10V/m的外加干扰场强下仍然出现发动机熄火现象的原因．

2.3.2传感器后部———共轨压力信号输出部分从图4可见，传感器电路的输出部分考虑了滤波措施，首先传感器内的参考地取自ECU的信号地，并且为避免长线缆传输路径上耦合的干扰，使用了磁珠与电容的LC滤波电路，这些均起到了滤除高频噪声的作用．同样，在输入5V电源与输出信号端，也都采用了磁珠加电容的LC滤波电路，也应该具有一定的效果．但传感器厂家在前期对传感器进行电磁兼容测试时，使用的是屏蔽线缆，同时在测试桌的接地平板上两端接地，这些措施与实际装车情况不符;并且整车测试时耦合的干扰电流的强度也应高于其前期的试验室测试．因此，滤波元器件的参数选择，以及是否增加其他滤波措施，是应该按实际装车状态来进行设计．

3共轨压力传感器抗干扰设计改进及复测验证

3.1改进滤波设计从图3、图4中可知，原传感器已经考虑了信号的滤波，但仅在传感器输出前端采取了滤波，磁珠、电容的参数也没有按照GJB151A中CS114项要求的干扰信号强度进行选取，没有综合考虑干扰的前门、后门效应，因此，应着手在以下3个方面加强设计:1)在电桥输出与放大器电路之间，增加低通滤波电路，需要兼顾考虑响应时间常数(τ1)与增益要求，低通滤波器的时间常数(τ2)应小于并等于τ1，并留出30%的设计余量．共轨压力传感器内部电路中，在输入的5V电源、输出的共轨压力信号与地之间，根据共轨压力传感器设计响应时间常数(τ1)与增益要求，增加合适参数的滤波电容，滤除高频部分的杂散信号;2)LC滤波之后增加并联稳压二极管，使得电源电压更加平稳．由于稳压二极管的作用，电源接通瞬间的过度特性得以改善，从而增强了输入电压同输出信号的稳定性;3)在ECU内部的PCB上，对于与共轨压力传感器连接的信号输入输出电路，也应考虑同样的滤波处理，以滤除不必要的高频杂散信号，提升系统的抗干扰能力．如图5所示，虚线框内就是电桥采集信号后以及信号放大输出之前，电路中增加的滤波电路。

3.2复测验证结果将改进后的共轨压力传感器安装回发动机后，按照同样的测试位置与干扰信号强度，在同样的车辆状态下进行复测，没有再出现发动机运转异常的现象．通过示波器监测传感器输出信号，也没有出现异常的信号波动，复测结果满足标准要求，达到了预期的目的．

4结束语

压力传感器是车辆电控系统的重要组件，其自身对灵敏度、精度和响应速度要求较高，因此容易受到外界电磁干扰，而滤波设计往往会降低系统的响应速度，因此恰当的滤波设计显得尤为重要．再综合考虑器件选择，屏蔽、接地设计等电磁兼容性设计元素，从电磁干扰的三要素出发，重点保护敏感电路，阻断干扰耦合的途径，实现基于系统功能、性能要求的传感器电磁兼容性设计．

作者：曹俊郑洁单位：中国北方车辆研究所